Версія за 12:27, 12 травня 2009

Вимоги до сучасних обчислювальних мереж.

Головною вимогою, що пред'являється до мереж, є виконання мережею її основної функції забезпечення користувачам потенційної можливості доступу до ресурсів всіх комп'ютерів, що розділяються, об'єднаних в мережу. Всі інші вимоги продуктивність, надійність, сумісність, керованість, захищеність, розширюваність і масштабованість пов'язані з якістю виконання цієї основної задачі.

Хоч всі ці вимоги вельми важливі, часто поняття “якість обслуговування” (Quality of Service, QoS) комп'ютерної мережі трактується більш вузько - в нього включаються тільки дві самі важливі характеристики мережі: продуктивність і надійність.

Незалежно від вибраного показника якості обслуговування мережі існують два підходи до його забезпечення. Перший підхід, очевидно, покажеться найбільш природним з точки зору користувача мережі. Він полягає в тому, що мережа (точніше, обслуговуючий її персонал) гарантує користувачеві дотримання деякої числової величини показника якості обслуговування. Наприклад, мережу можна гарантувати користувачеві А, що будь-який з його пакетів, посланих користувачеві В, буде затриманий мережею не більш ніж на 150 мс. Або, що середня пропускна спроможність каналу між користувачами А і В не буде нижче за 5 Мбіт/с, при цьому канал буде дозволяти пульсацію трафіка в 10Мбіт на інтервалах часу не більш 2 секунд. Технології Frame Relay і ATM дозволяють будувати мережі, що гарантують якість обслуговування по продуктивності.

Другий підхід полягає в тому, що мережа обслуговує користувачів відповідно до їх пріоритетів. Тобто якість обслуговування залежить від міри привілегійованності користувача або групи користувачів, до якої він належить. Якість обслуговування в цьому випадку не гарантується, а гарантується тільки рівень привілеїв користувача. Таке обслуговування називається обслуговуванням best effort з найбільшим старанням. Мережа старається по можливості більш якісно обслужити користувача, але нічого при цьому не гарантує. За таким принципом працюють, наприклад, локальні мережі, побудовані на комутаторах з привілеями кадрів.

Продуктивність

Потенційно висока продуктивність це одна з основних властивостей розподілених систем, до яких відносяться комп'ютерні мережі. Ця властивість забезпечується можливістю розпаралелювання робіт між декількома комп'ютерами мережами. На жаль, цю можливість не завжди вдається реалізувати. Існує декілька основних характеристик продуктивності мережі:

   * час реакції;
   * пропускна спроможність;
   * затримка передачі і варіація затримки передачі.

Час реакції мережі є інтегральною характеристикою продуктивності мережі з точки зору користувача. Саме цю характеристику має на увазі користувач, коли говорить: “Сьогодні мережа працює повільно”. У загальному випадку час реакції визначає який інтервал часу між виникненням запиту користувача до якої-небудь мережевої служби і отриманням відповіді на цей запит. Очевидно, що значення цього показника залежить від типу служби, до якої звертається користувач, від того, який користувач і до якого сервера звертається, а також від поточного стану елементів мережі завантаженості сегментів, комутаторів і маршрутизаторів, через які проходить запит, завантаженості сервера.

Тому доцільно використати також і середньозважену оцінку часу реакції мережі, усереднюючи цей показник по користувачах, серверах і часі дня (від якого значною мірою залежить завантаження мережі).

Час реакції мережі звичайно складається з декількох складових. У загальному випадку в нього входить час підготовки запитів на клієнтському комп'ютері, час передачі запитів між клієнтом і сервером через сегменти мережі і проміжне комунікаційне обладнання, час обробки запитів сервером, час передачі відповідей від сервера клієнту і час обробки відповідей, що отримуються від сервера на клієнтському комп'ютері.

Ясно, що користувача розкладання часу реакції на складові не цікавить йому важливий кінцевий результат, однак для мережевого фахівця дуже важливо виділити із загального часу реакції складові, відповідні етапам власне мережевої обробки даних, передачу даних від клієнта до сервера через сегменти мережі і комунікаційне обладнання.

Знання складових часу реакції мережі дає можливість оцінити продуктивність окремих елементів мережі, виявити вузькі місця і у разі необхідності виконати модернізацію мережі для підвищення її загальної продуктивності.

Пропускна спроможність відображає об'єм даних, переданих мережею або її частиною в одиницю часу. Пропускна спроможність вже не є призначеною для користувача характеристикою, оскільки вона говорить про швидкість виконання внутрішніх операцій мережі передачі пакетів даних між вузлами мережі через різні комунікаційні пристрої. Але вона безпосередньо характеризує якість виконання основної функції мережі транспортування повідомлень і тому частіше використовується при аналізі продуктивності мережі.

Пропускна спроможність вимірюється або в бітах в секунду, або в пакетах в секунду. Пропускна спроможність може бути миттєвою, максимальною і середньою.

Середня пропускна спроможність обчислюється шляхом розподілу загального об'єму переданих даних на час їх передачі, причому вибирається досить тривалий проміжок часу година, день або тиждень.

Миттєва пропускна спроможність відрізняється від середньої тим, що для усереднення вибирається дуже маленький проміжок часу наприклад, 10мс або 1с.

Максимальна пропускна спроможність це найбільша миттєва пропускна спроможність, зафіксована протягом періоду спостереження.

Частіше за все при проектуванні, настройці і оптимізації мережі використовуються такі показники, як середня і максимальна пропускні спроможності. Середня пропускна спроможність окремого елемента або всієї мережі дозволяє оцінити роботу мережі на великому проміжку часу, протягом якого внаслідок закону великих чисел списа і спади інтенсивність трафіка компенсує один одну. Максимальна пропускна спроможність дозволяє оцінити можливості мережі справлятися з піковими навантаженнями, характерними для особливих періодів роботи мережі, наприклад ранкових годин, коли співробітники підприємства майже одночасно реєструються в мережі і звертаються до файлів, що розділяються і баз даних.

Пропускну спроможність можна вимірювати між будь-якими двома вузлами або точками мережі, наприклад між клієнтським комп'ютером і сервером, між вхідним і вихідним портами маршрутизатора. Для аналізу і настройки мережі дуже корисно знати дані про пропускну спроможність окремих елементів мережі.

Важливо зазначити, що через послідовний характер передачі пакетів різними елементами мережі загальна пропускна спроможність мережі будь-якого складового шляху в мережі буде рівна мінімальної з пропускних спроможностей складаючих елементів маршруту. Для підвищення пропускної спроможності складового шляху необхідно насамперед звернути увагу на самі повільні елементи в цьому випадку таким елементом, швидше усього, буде маршрутизатор. Потрібно підкреслити, що якщо трафік, що передається по складовому шляху буде мати середню інтенсивність, перевершуючи середню пропускну спроможність самого повільного елемента шляху, то черга пакетів до цього елемента буде рости теоретично до нескінченності, а практично доти, поки не заповниться його буферна пам'ять, а потім пакети просто почнуть відкидатися і втрачатися.

Іноді корисно оперувати із загальною пропускною спроможністю мережі, яка визначається як середня кількість інформації, переданої між всіма вузлами мережі в одиницю часу. Цей показник характеризує якість мережі загалом не диференціюючи його по окремих сегментах або пристроях.

Звичайно при визначенні пропускної спроможності сегмента або пристрою в даних, що передаються не виділяються пакети якогось певного користувача, додатку або комп'ютера підраховується загальний обсяг інформації, що передається. Проте для більш точної оцінки якості обслуговування така деталізація бажана, і останнім часом системи управління мережами все частіше дозволяють її виконувати.

Затримка передачі визначається як затримка між моментом надходження пакету на вхід якого-небудь мережевого пристрою або частини мережі і моментом появи його на виході цього пристрою. Цей параметр продуктивності по значенню близький до часу реакції мережі, але відрізняється тим, що завжди характеризує тільки мережеві етапи обробки даних, без затримок обробки комп'ютерами мережі. Звичайно якість мережі характеризують величинами максимальної затримки передачі і варіацією затримки. Не всі типи трафіка чутливі до затримок передачі, принаймні, до тих величин затримок, які характерні для комп'ютерних мереж, звичайно затримки не перевищують сотень мілісекунд, рідше декількох секунд. Такого порядку затримки пакетів, що породжуються файловою службою, службою електронної пошти або службою друку, мало впливають на якість цих служб з точки зору користувача мережі. З іншого боку, такі ж затримки пакетів, що переносять голосові дані або відеозображення, можуть приводити до значного зниження якості інформації, що надається користувачеві виникненню ефекту “луни”, неможливості розібрати деякі слова, тремтіння зображення.

Пропускна спроможність і затримки передачі є незалежними параметрами, так що мережа може володіти, наприклад, високою пропускною спроможністю, але вносити значні затримки при передачі кожного пакету. Приклад такої ситуації дає канал зв'язку, утворений геостаціонарним супутником. Пропускна спроможність цього каналу може бути вельми високою, наприклад 2 Мбіт/с, в той час як затримка передачі завжди складає не менше за 0,24с, що визначається швидкістю поширення сигналу (біля 300 000 км/с) і довжиною каналу (72 000 км).

Надійність і безпека

Однієї з первинних цілей створення розподілених систем, до яких відносяться і обчислювальні мережі, було досягнення більшої надійності в порівнянні з окремими обчислювальними машинами.

Важливо розрізнювати декілька аспектів надійності. Для технічних пристроїв використовуються такі показники надійності, як середній час наработки на відмову, імовірність відмови, інтенсивність відмов. Однак ці показники придатні для оцінки надійності простих елементів і пристроїв, які можуть знаходитися тільки в двох станах працездатний або непрацездатний. Складні системи, що складаються з багатьох елементів, крім станів працездатності і непрацездатності, можуть мати і інші проміжні стани, які ці характеристики не враховують. У зв'язку з цим для оцінки надійності складних систем застосовується інший набір характеристик.

Готовність або коефіцієнт готовності (availability) означає частку часу, протягом якого система може бути використана. Готовність може бути поліпшена шляхом введення надмірності в структуру системи: ключові елементи системи повинні існувати в декількох примірниках, щоб при відмові одного з них функціонування системи забезпечували інші.

Щоб систему можна було віднести до високонадійної, вона повинна як мінімум бути високо готовною, але цього недостатньо. Необхідно забезпечити збереження даних і захист їх від спотворень. Крім цього, повинна підтримуватися узгодженість (несуперечність) даних, наприклад, якщо для підвищення надійності на декількох файлових серверах зберігається декілька списків даних, то треба постійно забезпечувати їх ідентичність.

Оскільки мережа працює на основі механізму передачі пакетів між кінцевими вузлами, то одною з характерних характеристик надійності є імовірність доставки пакету вузлу призначення без спотворень. Нарівні з цією характеристикою можуть використовуватися і інші показники: імовірність втрати пакету (з будь-яких причин через переповнення буфера маршрутизатора, через неспівпадання контрольної суми, через відсутність працездатного шляху до вузла призначення і , імовірність спотворення окремого біта даних, що передаються, відношення втрачених пакетів до доставлених.

Іншим аспектом загальної надійності є безпека (security), тобто здатність системи захистити дані від несанкціонованого доступу. У розподіленій системі це зробити набагато складніше, ніж в централізованій. У мережах повідомлення передаються по лініях зв'язку, що часто проходить через загальнодоступні приміщення, в яких можуть бути встановлені засоби прослуховування ліній. Іншим вразливим місцем можуть бути залишені без нагляду персональні комп'ютери. Крім того, завжди є потенційна загроза злому захисту мережі від неавторизованих користувачів, якщо мережа має виходи в глобальні мережі загального користування.

Ще однією характеристикою надійності є відмовостійкість (fault tolerance). У мережах під відмовостійкісттю розуміється здатність системи приховати від користувача відмову окремих її елементів. Наприклад, якщо копії таблиці бази даних зберігаються одночасно на декількох файлових серверах, то користувачі можуть просто не помітити відмову одного з них. У відмовостійкій системі відмова одного з її елементів приводить до деякого зниження якості її роботи (деградації), а не до повної зупинки. Так, при відмові одного з файлових серверів в попередньому прикладі збільшується тільки час доступу до бази даних через зменшення міри распаралелювання запитів, але загалом система буде продовжувати виконувати свої функції.

Розширюваність і масштабованість

Терміни розширюваність і масштабованість іноді використовують як синоніми, але це невірно кожний з них має чітко певне самостійне значення.

Розширюваність (extensibility) означає можливість порівняно легкого додання окремих елементів мережі (користувачів, комп'ютерів, додатків, служб), нарощування довжини сегментів мережі і заміни існуючої апаратури більш могутньою. При цьому принципово важливо, що легкість розширення системи іноді може забезпечуватися в деяких вельми обмежених межах. Наприклад, локальна мережа Ethernet, побудована на основі одного сегмента товстого коаксіального кабелю, володіє хорошою розширюваністю, в тому значенні, що дозволяє легко підключати нові станції. Однак така мережа має обмеження на число станцій їх число не повинне перевищувати 30-40. Хоч мережа допускає фізичне підключення до сегмента і більшого числа станцій (до 100), але при цьому частіше за все різко знижується продуктивність мережі. Наявність такого обмеження і є ознакою поганої масштабованості системи при хорошій розширюваності.

Масштабованість (scalability) означає, що мережа дозволяє нарощувати кількість вузлів і протяжність зв'язків в дуже широких межах, при цьому продуктивність мережі не гіршає. Для забезпечення масштабованості мережі доводиться застосовувати додаткове комунікаційне обладнання і спеціальним образом структурувати мережу. Наприклад, хорошою масштабованісттю володіє багатосегментная мережа, побудована з використанням комутаторів і маршрутизаторів і що має ієрархічну структуру зв'язків. Така мережа може включати декілька тисяч комп'ютерів і при цьому забезпечувати кожному користувачеві мережі потрібну якість обслуговування.

Прозорість

Прозорість (transparency) мережі досягається в тому випадку, коли мережа представляється користувачам не як безліч окремих комп'ютерів, пов'язаних між собою складною системою кабелів, а як єдина традиційна обчислювальна машина з системою розділення часу. Відомий лозунг компанії Sun Microsystems: “Мережа це комп'ютер” говорить саме про таку прозору мережу.

Прозорість може бути досягнута на двох різних рівнях на рівні користувача і на рівні програміста. На рівні користувача прозорість означає, що для роботи з виділеними ресурсами він використовує ті ж команди і звичні йому процедури, що і для роботи з локальними ресурсами. На програмному рівні прозорість полягає в тому, що додатку для доступу до виділених ресурсів потрібні ті ж виклики, що і для доступу до локальних ресурсів. Прозорість на рівні користувача досягається простіше, оскільки всі особливості процедур, пов'язані з розподіленим характером системи, маскуються від користувача програмістом, який створює додаток. Прозорість на рівні додатку вимагає приховання всіх деталей розподіленості ресурсів мережевої операційної системи.

Мережа повинна приховувати всі особливості операційних систем і відмінності в типах комп'ютерів. Користувач комп'ютера Macintosh повинен мати можливість звертатися до ресурсів, що підтримуються UNIX-системою, а користувач UNIX повинен мати можливість розділяти інформацію з користувачами Windows 95. Переважне число користувачів нічого не хоче знати про внутрішні формати файлів або про синтаксис команд UNIX. Користувач термінала IBM 3270 повинен мати можливість обмінюватися повідомленнями з користувачами мережі персональних комп'ютерів без необхідності вникати в секрети адрес, що важко запам'ятовуються.

Концепція прозорості може бути застосована до різних аспектів мережі. Наприклад, прозорість розташування означає, що від користувача не потрібно знань про місце розташування програмних і апаратних ресурсів, таких як процесори, принтери, файли і бази даних. Ім'я ресурсу не повинне включати інформацію про місце його розташування, тому імена типу mashinel:prog.c або \\ftp_serv\pub прозорими не є. Аналогічно, прозорість переміщення означає, що ресурси повинні вільно переміщатися з одного комп'ютера в інший без зміни своїх імен. Ще одним з можливих аспектів прозорості є прозорість паралелізма, що полягає в тому, що процес распаралелювання обчислень відбувається автоматично, без участі програміста, при цьому система сама розподіляє паралельні гілки додатку по процесорах і комп'ютерах мережі. У цей час не можна сказати, що властивість прозорості в повній мірі властиво багатьом обчислювальним мережам, це швидше мета, до якої прагнуть розробники сучасних мереж.

Підтримка різних видів трафіка

Комп'ютерні мережі, в першу чергу, призначені для спільного доступу користувача до ресурсів комп'ютерів: файлам, принтерам і т. п. Трафік, що створюється цими традиційними службами комп'ютерних мереж, має свої особливості і істотно відрізняється від трафіка повідомлень в телефонних мережах або, наприклад, в мережах кабельного телебачення. Однак 90-е роки стали роками проникнення в комп'ютерні мережі трафіка мультимедійних даних, що представляють в цифровій формі голос і відеозображення. Комп'ютерні мережі стали використовуватися для організації відеоконференцій, навчання і розваги на основі відеофільмів і т. п. Для динамічної передачі мультимедійного трафіка потрібні інші алгоритми і протоколи і, відповідно, інше обладнання. Хоч частка мультимедійного трафіка поки невелика, він вже почав своє проникнення як в глобальні, так і локальні мережі, і цей процес, очевидно, буде продовжуватися із зростаючою швидкістю.

Головною особливістю трафіка, що утворюється при динамічній передачі голосу або зображення, є наявність жорстких вимог до синхронності повідомлень, що передаються. Для якісного відтворення безперервних процесів, якими є звукові коливання або зміни інтенсивності світла у відеозображенні, необхідне отримання виміряних і закодованих амплітуд сигналів з тією ж частотою, з якою вони були виміряні на передаючій стороні. При запізненні повідомлень будуть спостерігатися спотворення.

У той же час трафік комп'ютерних даних характеризується надто нерівномірною інтенсивністю надходження повідомлень в мережу при відсутності жорстких вимог до синхронності доставки цих повідомлень. Наприклад, доступ користувача, працюючого з текстом на виділеному диску, породжує випадковий потік сполучень між видаленим і локальним комп'ютерами, що залежить від дій користувача по редагуванню тексту, причому затримки при доставці в певних (і досить широких з комп'ютерної точки зору) межах мало впливають на якість обслуговування користувача мережі. Всі алгоритми комп'ютерного зв'язку, відповідні протоколи і комунікаційне обладнання були розраховані саме на такий “пульсуючий” характер трафіка, тому необхідність передавати мультимедійний трафік вимагає внесення принципових змін як в протоколи, так і обладнання. Сьогодні практично всі нові протоколи в тій або іншій мірі надають підтримку мультимедійного трафіка.

Особливу складність представляє поєднання в одній мережі традиційного комп'ютерного і мультимедійного трафіка. Передача виключно мультимедійного трафіка комп'ютерною мережею хоч і пов'язана з певними складностями, але викликає менші труднощі. А ось випадок співіснування двох типів трафіка з протилежними вимогами до якості обслуговування є набагато більш складною задачею. Звичайно протоколи і обладнання комп'ютерних мереж відносять мультимедійний трафік до факультативного, тому якість його обслуговування залишає бажати кращого. Сьогодні затрачуються великі зусилля по створенню мереж, які не ущемляють інтереси одного з типів трафіка. Найбільш близькі до цієї мети мережі на основі технології ATM, розробники якої спочатку враховували випадок співіснування різних типів трафіка в одній мережі.

Керованість

Керованість мережі має на увазі можливість централізовано контролювати і стан основних елементів мережі, виявляти і вирішувати проблеми, виникаючі при роботі мережі, виконувати аналіз продуктивності і планувати розвиток мережі. У ідеалі засобу управління мережами являють собою систему, що здійснює спостереження, контроль і управління кожним елементом мережі від найпростіших до самих складних пристроїв, при цьому така система розглядає мережа як єдине ціле, а не як розрізнений набір окремих пристроїв.

Хороша система управління спостерігає за мережею і, виявивши проблему, активізує певну дію, виправляє ситуацію і повідомляє адміністратора про те, що сталося і які кроки зроблені. Одночасно з цим система управління повинна нагромаджувати дані, на основі яких можна планувати розвиток мережі. Нарешті, система управління повинна бути незалежна від виробника і володіти зручним інтерфейсом, що дозволяє виконувати всі дії з однієї консолі.

Вирішуючи тактичні задачі, адміністратори і технічний персонал стикаються з щоденними проблемами забезпечення працездатності мережі. Ці задачі вимагають швидкого рішення, обслуговуючий мережу персонал повинен оперативно реагувати на повідомлення про несправності, що поступають від користувачів або автоматичних коштів управління мережею. Поступово стають помітні більш загальні проблеми продуктивності, конфігурування мережі, обробки збоїв і безпеки даних, що вимагають стратегічного підходу, тобто планування мережі. Планування, крім цього, включає прогноз змін вимог користувачів до мережі, питання застосування нових додатків, нових мережевих технологій і

Корисність системи управління особливо яскраво виявляється у великих мережах: корпоративних або публічних глобальних. Без системи управління в таких мережах потрібна присутність кваліфікованих фахівців з експлуатації в кожному приміщенні кожного міста, де встановлено обладнання мережі, що в результаті приводить до необхідності змісту величезного штату обслуговуючого персоналу.

У цей час в області систем управління мережами багато невирішених проблем. Явно недостатньо дійсно зручних, компактних і багатопротокольних ресурсів управління мережею. Більшість існуючих ресурсів зовсім не управляють мережею, а усього лише здійснюють спостереження за її роботою. Вони стежать за мережею, але не виконують активних дій, якщо з мережею щось сталося або може статися. Систем, що мало масштабуються, здатних обслуговувати як мережі масштабу відділу, так і мережі масштабу підприємства, дуже багато які системи управляють тільки окремими елементами мережі і не аналізують здатність мережі виконувати якісну передачу даних між кінцевими користувачами мережі.

Сумісність

Сумісність або интегрируемость означає, що мережа здатна включати в себе саме різноманітне програмне і апаратне забезпечення, тобто в ній можуть співіснувати різні операційні системи, підтримуючі різні стеки комунікаційних протоколів, і працювати апаратні кошти і додатки від різних виробників. Мережа, що складається з різнотипних елементів, називається неоднорідної або гетерогенної, а якщо гетерогенна мережа працює без проблем, то вона є інтегрованою. Основний шлях побудови інтегрованих мереж використання модулів, виконаних відповідно до відкритих стандартів і специфікацій.

Висновки

1. Якість роботи мережі характеризують наступні властивості: продуктивність, надійність, сумісність, керованість, захищеність, розширюваність і масштабованість
2. Існують два основних підходи до забезпечення якості роботи мережі. Перший полягає в тому, що мережа гарантує користувачеві дотримання деякої числової величини показника якості обслуговування. Наприклад, мережі Frame Relay і ATM можуть гарантувати користувачеві заданий рівень пропускної спроможності. При другому підході (best effort) мережа старається по можливості більш якісно обслужити користувача, але нічого при цьому не гарантує
3. До основних характеристик продуктивності мережі відносяться: час реакції, який визначається як час між виникненням запиту до якого-небудь мережевого сервісу і отриманням відповіді на нього; пропускна спроможність, яка відображає об'єм даних, переданих мережею в одиницю часу, затримка передачі, яка рівна інтервалу між моментом надходження пакету на вхід якого-небудь мережевого пристрою і моментом його появи на виході цього пристрою
4. Для оцінки надійності мереж використовуються різні характеристики, в тому числі: коефіцієнт готовності, що означає частку часу, протягом якого система може бути використана; безпеку, тобто здатність системи захистити дані від несанкціонованого доступу; відмовостійкість здатність системи працювати в умовах відмови деяких її елементів
5. Розширюваність означає можливість порівняно легкого додання окремих елементів мережі (користувачів, комп'ютерів, додатків, сервісів), нарощування довжини сегментів мережі і заміни існуючої апаратури більш могутньої
6. Масштабованість означає, що мережа дозволяє нарощувати кількість вузлів і протяжність зв'язків в дуже широких межах, при цьому продуктивність мережі не гіршає
7. Прозорість властивість мережі приховувати від користувача деталі свого внутрішнього пристрою, спрощуючи тим самим його роботу в мережі
8. Керованість мережі має на увазі можливість централізовано контролювати стан основних елементів мережі, виявляти і вирішувати проблеми, виникаючі при роботі мережі, виконувати аналіз продуктивності і планувати розвиток мережі
9. Сумісність означає, що мережа здатна включати в себе саме різноманітне програмне і апаратне забезпечення